Autoras: 

Gudiel, Hellyn & Florez, Cynthia

Esta situación probablemente le parecerá familiar: Imagínese usted trabajando en el laboratorio, pesando y midiendo todos los compuestos para la reacción que va a llevar a cabo. El agitador magnético empieza a girar y la luz de su cocina eléctrica se enciende, dando inicio a su reacción. Ahora usted toma asiento y procede a preguntarse qué va a hacer durante las próximas 2 horas.

Algunas reacciones pueden prolongarse más de 24 horas, causando un gran desperdicio de tiempo y energía. Es por ello que la química verde trató de buscar formas alternativas de proporcionar energía a las reacciones, de manera más rápida y eficaz, disminuyendo a su vez su impacto ambiental. Aquí presentaremos dos de estos métodos, que analizaremos a continuación:

1. Ultrasonido:

La técnica de ultrasonido ha demostrado ser una alternativa verde de gran utilidad en la investigación para mejorar la velocidad, incrementar el rendimiento de reacciones, así como verificar nuevas rutas de síntesis, en el área tecnológica, apoyando los procesos físicos (cristalización, dispersión), en el recubrimiento de nanopartículas¹, en la preparación de metales activados mediante reducción de sales metálicas, también orientado a la degradación de contaminantes químicos en aguas servidas o efluentes².

El rango de uso para el ultrasonido en química es convencionalmente entre 20 y 40 kHz. La presencia del fenómeno de cavitación se logra hasta los 2 MHz².

Fenómeno de Cavitación: Al igual que el sonido, el ultrasonido se propaga a través de una serie de olas de compresión y expansión en diferentes medios, en medio liquido los ciclos de compresión juntan las moléculas mientras que los ciclos de expansión las separan, creando una presión negativa que puede romper las fuerzas de cohesión del líquido y formar una micro cavidad o burbuja. Esta cavidad va creciendo durante cada expansión debido a que los efectos de la comprensión son menores, así llega al punto que ha absorbido una buena cantidad de energía de la irradiación ultrasónica, que se vuelve una burbuja muy inestable que llega a implosionar, provocando condiciones de presiones de 2000 atm y temperaturas mayores a 5000ºC, difícilmente alcanzables con otras técnicas en la química. Ello hace que esta técnica sea capaz de activar cualquier tipo de reacción, donde cada burbuja funcionaría como una especie de micro reactor².

Este fenómeno fue descrito por vez primera por J. Thomycroft y S. Barnaby en 1895, al analizar la deficiente propulsión por las alabes de la hélice del primer destructor inglés H.M.S. Óaring debido a una falla de diseño que generaba fuerte vibración; ésta fue atribuida a la formación e implosión de burbujas sobre la hélice.

 Ventajas:

1. Es una técnica rápida comparada con otras técnicas que necesitan calentamiento u otra activación de varias horas obteniendo resultados más rápidamente
2. Puede aplicarse a sistemas concentrados y opacos.
3. Puede aplicarse reacciones con reactivos en dos fases (líquido-sólido).

Desventajas:

1. Oferta costosa de equipos.
2. La presencia de pequeñas burbujas de gas en el medio líquido que dificulten la propagación de las ondas de ultrasonido.
3. La exposición directa por contacto puede causar alteraciones en el organismo a nivel celular.
4. La exposición por vía aérea produce ruidos chirriantes que pueden alterar el sistema nervioso se recomienda colocar pantallas o absorbentes alrededor del reactor, alejarse de la fuentes de ultrasonido, reducir el tiempo de exposición además usar equipos de protección personal.

Recurso web: https://www.youtube.com/watch?v=mVZzTwqEBos

2. Microondas:

Para conocer más acerca del uso y los beneficios de las microondas, primero se debe saber qué son las microondas. Lo primero en que pensamos cuando se escucha la palabra “microondas” es en ese pequeño horno que se usa  para calentar nuestras comidas. Hoy en día prácticamente todos los hogares tienen un horno microondas, y es que así nació esta tecnología, cuando Albert Hull logró emitir microondas por primera vez en la década de 1920 utilizando un magnetrón de dos polos³.

El desarrollo tecnológico que ocurrió durante las guerras mundiales hizo que en 1947 fuera lanzado al mercado el primer horno microondas comercial, de mano de la compañía Raytheon, aunque medía cerca de 2 metros de altura y pesaba más de 300 kg. Para el año de 1970, los microondas ya eran más prácticos y para 1978 ya se había lanzado el primer horno microondas para uso de laboratorio, manufacturado por la empresa CEM³.

Entonces, ¿qué son las microondas? Pues las microondas son una forma de radiación electromagnética que ocurre naturalmente cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor. Esta posee longitudes de onda que van desde 0.01 hasta 1 m, por lo que podemos decir que son ondas de baja energía con respecto a otros tipos de radiaciones, y poseen una frecuencia entre 0.3 and 30 GHz (Figura 3).

Ahora procederemos a relacionar las microondas con la química. Las microondas actúan introduciendo energía al sistema, de manera análoga a las fuentes de calor convencionales. La energía necesaria para que ocurra una reacción química se denomina la energía de activación, y aunque las microondas no la afectan directamente, proveen el momento necesario para superar esta barrera de una forma más rápida que aplicando calor.³

Ventajas:

1. Aumento de la velocidad de la reacción³ (Tabla 1).

2. Ahorro de energía³

3. Ahorro de espacio³ (Figura 4).

 

4. Rápido tiempo de ensamblaje y desarmado³.

5. Control preciso del proceso³.

6. Mejores condiciones de trabajo³.

7. Mejor rendimiento, selectividad y pureza del producto⁴.

Limitaciones

1. El rendimiento que se puede obtener con un horno microondas que esté en el mercado, es solo de unos cuantos gramos⁴.
2. No todos los materiales interactúan de la misma manera con las microondas⁴.
3. El calentamiento desmedido en algunas reacciones con radioisótopos puede ocasionar un deterioro radioactivo descontrolado⁴.
4. Se han observado problemas al llevar a cabo reacciones con ácidos, ya que su naturaleza corrosiva puede dañar el polímero del recipiente usado para el equipo de microondas⁴.
5. Se han reportado problemas al utilizar altas presiones, que pueden resultar en reacciones descontroladas y causar explosiones⁴.
6. Los peligros a la salud son causados por la penetración de las microondas⁴.

Aplicaciones

En el área de química, las microondas se han utilizado en la síntesis orgánica de muchas moléculas, demostrado por los más de 5000 artículos que han sido publicados en esta área⁵. Estas reacciones incluyen a la reacción de Diels-Alder, la reacción de Ene, la reacción de Heck, la reacción de Suzuki, la reacción de Mannich, la hidrogenación de beta-lactamas, reacciones de hidrólisis, deshidratación, esterificación, cicloadición, epoxidación, reducciones, condensaciones, ciclación, protección y desprotección, entre otras. Cabe mencionar que la síntesis puede realizarse con o sin solvente, o en un soporte sólido⁴.

También se ha usado para la síntesis de productos en química inorgánica, como carburos, nitruros, óxidos complejos, siliuros, zeolitas, apatitas, etc. De igual forma, posee aplicación en la síntesis de nanoestructuras, de polímeros y de radiofármacos⁴.

Recurso web: https://www.youtube.com/watch?v=FHNTy63BL4U

Conclusiones

Como se ha podido ver, la energía térmica no es el único tipo de energía con aplicación en la química, sino que también la energía mecánica y la radiación electromagnética. Es cierto que ambos métodos aún presentan falencias y solo se han probado para algunas reacciones, pero han probado ser eficientes y eficaces a escala de laboratorio. Es necesario hacer una mayor investigación acerca de ambos métodos para poder decir si uno es mejor que otro, pero, por el momento, ambos tienen gran potencial.

Bibliografía

1. Alfaro AA. Síntesis y deposición sonoquímica de nanopartículas de plata sobre placas de ABS y evaluación de su actividad antimicrobial. 2010;
2. Arroyo J, Flores J. Degradación ultrasónica de contaminantes orgánicos. Rev Peru Quím lng Quím. 2001;4:3–14.
3. Bassyouni FA, Abu-Bakr SM, Rehim MA. Evolution of microwave irradiation and its application in green chemistry and biosciences. Res Chem Intermed. 2012;38(2):283–322.
4. Grewal AS, Kumar K, Redhu S, Bhardwaj S. Microwave assisted synthesis : a green chemistry approach. Int Res J Pharm Appl Sci. 2013;3(5):278–85.
5. Ravichandran S, Karthikeyan E. Microwave synthesis – A potential tool for green chemistry. Int J ChemTech Res. 2011;3(1):466–70.